Наземные эксперименты на железо-серных сплавах, которые, как считается, составляют ядро Марса, впервые раскрывают детали сейсмических свойств планеты. Эта информация будет сопоставлена с наблюдениями, проведенными космическими зондами Марса в ближайшем будущем.
Марс является одним из наших ближайших земных соседей, но он все еще очень далеко и находится на расстоянии от 55 до 400 миллионов километров, в зависимости от того, где Земля и Марс расположены относительно Солнца. На момент написания статьи Марс находился на расстоянии около 200 миллионов километров, и в любом случае добраться до него чрезвычайно сложно, дорого и опасно. По этим причинам иногда более разумно исследовать Красную Планету с помощью симуляций здесь, на Земле, чем отправлять дорогой космический зонд или, в будущем, людей.
Кейсуке Нишида, доцент кафедры наук о Земле и планетах Токийского, и его команда изучают внутреннее строение и состав Марса с помощью сейсмических данных, которые показывают не только текущее состояние планеты, но и также могут определить его прошлое, в том числе его происхождение.
«Исследование глубоких недр Земли, Марса и других планет является одним из великих рубежей науки», - сказал Нишида. «Это очаровательно отчасти из-за огромных масштабов, а также из-за того, как мы безопасно их исследуем с поверхности Земли».
Долгое время теоретизировалось, что ядро Марса, вероятно, состоит из железо-серного сплава. Но с учетом того, насколько недоступно ядро Земли для нас, прямым наблюдениям ядра Марса, вероятно, придется подождать некоторое время. Вот почему сейсмические детали так важны, поскольку сейсмические волны, сродни чрезвычайно мощным звуковым волнам, которые могут проходить через всю планету раскрыть некоторые детали её внутренней части, хотя и с некоторыми оговорками.
«Зонд NASA Insight уже собирает сейсмические показания на Марсе», - сказал Нишида. «Однако, даже с сейсмическими данными, была важная недостающая часть информации, без которой эти данные не могли бы быть интерпретированы. Нам нужно было знать сейсмические свойства железо-серного сплава, который, как считается, составляет ядро Марса».
Нишида и его команда уже измерили скорость распространения для расплавленных железо-серных сплавов, которые известны как P-волны (один из двух типов сейсмических волн, другой - S-волны).
«Из-за технических трудностей нам потребовалось более трех лет, чтобы мы смогли собрать необходимые нам ультразвуковые данные, поэтому я очень рад, что они у нас есть», - сказал Нишида. «Выборка очень мала, что может удивить некоторых людей, учитывая огромные масштабы планеты, которую мы эффективно моделируем. Но эксперименты под высоким давлением в микромасштабах помогают исследовать макромасштабные структуры и долгую историю эволюции планет».
Расплавленный сплав железа и серы нагрет чуть выше его температуры плавления 1500 градусов Цельсия и подвергнут воздействию 13 гигапаскалей давления и имеет скорость Р-волны 4680 метров в секунду; это более чем в 13 раз превышает скорость звука в воздухе, которая составляет 343 метра в секунду. Исследователи использовали устройство, называемое прессом Kawai типа multianvil, для сжатия образца до таких давлений. Они использовали рентгеновские лучи от двух синхротронных установок, KEK-PF и SPring-8, чтобы отобразить образцы, чтобы затем рассчитать значения P-волны.
«Используя наши результаты, исследователи, читающие марсианские сейсмические данные, теперь смогут определить, является ли ядро преимущественно железо-серным сплавом или нет», - сказал Нишида. «Если это не так, оно хотя бы даст подсказки и о происхождении Марса. Например, если ядро Марса включает в себя кремний и кислород, это говорит о том, что, как и Земля, Марс испытал чудовищное ударное событие, когда он сформировался».
Исследование опубликовано в Nature Communications.